Энергия и цивилизация
Вацлав Смил, 2017

Преобразование энергии в свет, движение и тепло стали залогом нашего культурного и экономического прогресса. Вацлав Смил, заслуженный профессор факультета охраны окружающей среды и специалист в области энергетики, экономики и истории подробно объясняет, как энергия формировала общество на протяжении всей истории. От охотничье-собирательского уклада жизни до современной цивилизации.

Оглавление

Из серии: Большая наука

* * *

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Энергия и цивилизация предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Купить и скачать полную версию книги в форматах FB2, ePub, MOBI, TXT, HTML, RTF и других

1. Энергия и общество

Энергия — единственная универсальная валюта, без ее трансформации в какой-либо форме невозможны никакие свершения. Проявления этих трансформаций варьируются от вращения галактик до термоядерных реакций в недрах звезд. На Земле они ранжируются от терраформирующих сил тектонических плит, которые делят на части дно океана и поднимают горные хребты, до кумулятивного эрозивного воздействия крохотных капель воды (еще римляне знали, что gutta cavat lapidem non vi, sed saepe cadendo — капля воды точит камень не силой, а постоянством). Жизнь на Земле — а несмотря на десятилетия попыток поймать внеземные сигналы, мы знаем только жизнь на нашей планете — была бы невозможной без фотосинтетического перехода солярной энергии в фитомассу (биомассу растений). Выживание людей зависит от этой трансформации, и на многих других потоках энергии держится существование нашей цивилизации.

Ричард Адамс (Adams 1982: 27) сказал по этому поводу:

«Мы можем придумать самые безумные идеи, но если у нас нет возможности воплотить их, то они так и останутся идеями… История действует непредсказуемым образом. Но события истории тем не менее опираются на структуру или организацию, которые должны гармонично сочетаться с их энергетическими компонентами».

Эволюция человеческих обществ привела к увеличению этих самых обществ, к росту сложности социальных и производственных процессов и к повышению качества жизни для все большего числа людей. С фундаментальной биофизической перспективы и доисторическую эволюцию человека, и ход человеческой истории можно рассматривать как поиск контроля над все большими запасами и потоками все более концентрированной и гибкой энергии в разных формах, над ее трансформацией со все более низкими затратами и высокой эффективностью в тепло, свет и движение. Подобная тенденция была обобщена Альфредом Лотка (1880–1949), американским математиком, химиком и статистиком, в его законе максимальной энергии: «В любой рассматриваемый момент естественный отбор будет действовать так, чтобы увеличить общую массу органической системы, чтобы увеличить скорость циркуляции материи через систему и чтобы увеличить общий поток энергии через систему до тех пор, пока остается неиспользованный остаток материи и доступной энергии» (Lotka 1922, 148).

История сменяющих друг друга цивилизаций, самых больших и сложных организмов нашей биосферы, идет в рамках этого принципа. Зависимость людей от все более и более мощных потоков энергии можно рассматривать как неизбежное продолжение органической эволюции. Вильгельм Оствальд (1853–1932, лауреат нобелевской премии по химии 1909 года за работу в области катализа) был первым ученым, который явным образом приложил «второй закон энергетики ко всем и любым действиям и в особенности к совокупности человеческих действий…»: «Все виды энергии не годятся для этой трансформации, только определенные формы, которым вследствие этого дается имя свободных форм энергии… Свободная форма энергии, таким образом, является капиталом, который потребляют все существа всех видов, и посредством ее превращения совершается все» (Ostwald 1912, 83). Это привело его к формулировке энергетического императива: «Vergeude keine Energie, verwerte sie» — «Не тратьте энергию ни в какой форме, делайте ее полезной» (Ostwald 1912, 85).

Три цитаты иллюстрируют, как последователи Оствальда заново использовали его выводы и как некоторые из них устанавливали связь между энергией и всеми человеческими действиями намного более детерминистским и откровенным образом. Начало семидесятых отмечено работой Ховарда Одума (1924–2002), который предложил вариацию ключевой темы Оствальда: «Доступность источников энергии определяет количество рабочей активности, которая может существовать, а контроль над потоками энергии определяет силу в человеческих взаимоотношениях и в относительном влиянии человека на природу» (Odum 1971, 43). В конце восьмидесятых Рональд Фокс завершил книгу о роли энергии в эволюции словами «усовершенствование культурных механизмов происходит с каждым усовершенствованием в области стыковки энергетических потоков» (Fox 1988, 166).

Не нужно быть ученым, чтобы установить связь между запасом энергии и социальным развитием. Об этом Эрик Блэр, больше известный как Джордж Оруэлл (1903–1950), писал в 1937 году во второй главе повести «Дорога на причал Уигана», после того, как сам побывал на угольной шахте:

«Наша цивилизация, при всем уважении к Честертону, базируется на угле куда в большей степени, чем можно полагать, не задумываясь об этом. Машины, позволяющие нам жить, и машины, изготовляющие другие машины, все они прямо или косвенно зависят от угля. В метаболизме западного мира шахтер в угольной шахте стоит на втором месте по важности после того человека, который вспахивает почву. Он что-то вроде кариатиды, на плечах которой стоит все, не запачканное угольной сажей. По этой причине стоит понаблюдать за процессом добычи угля, если у вас есть шанс и вы готовы к трудностям» (Orwell 1937, 18).

Но повторное обозначение этой фундаментальной связи (как сделал Оруэлл) и утверждение, что культурные усовершенствования имеют место после каждого усовершенствования в области энергии (как сделал Фокс), — две разные вещи. Вывод Оруэлла непредосудителен, а высказывание Фокса — откровенное изложение заново детерминистического постулата, выраженного двумя поколениями ранее антропологом Лесли Уайтом (1900–1975), который назвал его первым важным законом культурного развития: «При прочих равных условиях степень культурного развития зависит прямым образом от количества энергии на душу населения, энергии освоенной и пущенной в работу» (White 1943,346). В то время как не может быть противоречия между фундаментальной формулировкой Оствальда и заявлением о всеобъемлющем воздействии энергии на структуру и динамику эволюционирующих обществ (при всем уважении к Оруэллу), детерминистическая связь между уровнем использования энергии и культурными достижениями — в значительной степени спорная идея. Я оцениваю эту причинность (или ее отсутствие) в следующей главе данной книги.

Фундаментальная природа этого концепта не ставится под сомнение.

Роберт Линдсэй (Lindsay 1975, 2) писал:

«Если мы можем найти единственное слово, чтобы представить идею, которая прилагается к каждому элементу нашего существования способом, заставляющим нас чувствовать, что мы истинным образом его понимаем, то это значит, что мы достигли чего-либо экономичного и могущественного. Именно это и произошло с идеей, выраженной словом «энергия». Никакой другой концепт не объединил подобным образом наше понимание существующего».

Но что такое энергия?

Удивительно, но даже лауреаты Нобелевской премии сталкивались с трудностями, пытаясь дать внятный ответ на этот, казалось бы, простой вопрос. Ричард Фейнман (1918–1988) в своих знаменитых «Лекциях по физике» подчеркнул: «Важно понимать, что в сегодняшней физике мы не имеем представления о том, что такое энергия. Мы не можем представить, что энергия появляется в маленьких шариках определенного объема» (Feynman 1988, 4–2).

Рисунок 1.1. Матрица энергетических преобразований. В ячейках, где существует несколько возможных вариантов, упомянуты только две, самые известные трансформации

Что мы точно знаем: вся материя в конечном итоге является энергией; энергия проявляет себя множеством путей; различные формы энергии связаны многочисленными трансформациями, многие из них универсальны, вездесущи и непрерывны, другие точно локализованы, встречаются нечасто и выглядят эфемерными (рис. 1.1). Понимание этих путей, потенциалов и трансформаций было достигнуто, быстро расширилось и стало системой на протяжении девятнадцатого века и определенным образом усовершенствовалось в двадцатом — несмотря на остающиеся сложности, касающиеся превращений энергии, — когда мы поняли сначала, как освобождать ядерную энергию (теоретически в 30-х, практически к 1943 году), а затем как происходит фотосинтез (процесс был полностью описан на протяжении 50-х годов).

Потоки, запасы и средства контроля

Все известные формы энергии крайне важны для существования человека, сама реальность предостерегает нас от того, чтобы расположить их по порядку значимости. Многое в истории было определено и ограничено как универсальными и планетарными потоками энергии, так и их региональными или локальными проявлениями. Фундаментальные свойства вселенной определяются гравитационной энергией, которая регулирует движение бессчетного количества галактик и звездных систем. Гравитация также позволяет нашей планете вращаться вокруг Солнца на правильном расстоянии и поддерживает достаточный объем атмосферы, благодаря которой Земля и стала обитаемой (примечание 1.1).

Примечание 1.1. Гравитация и обитаемость Земли

Приспособляемость основанного на углероде метаболизма определяется точкой замерзания воды, так как вода в жидкой форме требуется для формирования и существования органических молекул (нижний предел), а также температурой и давлением, при котором дестабилизируются аминокислоты и распадаются протеины (верхний предел). Непрерывно обитаемая зона для Земли — предел орбитального радиуса, обеспечивающего оптимальные условия для жизни — очень узка (Perkins 2013). По результатам недавних расчетов стало ясно, что мы даже ближе к границе, чем думали ранее: ученые (Kopparapu and coworkers 2014) сделали вывод, что, исходя из состава и давления атмосферы, орбита Земли находится на внутреннем краю обитаемой зоны, прямо на границе того радиуса, где вышедший из-под контроля парниковый эффект вызвал бы запредельно высокие температуры.

Около двух миллиардов лет назад достаточное количество диоксида углерода (CO2) было поглощено океаном, архебактериями и микроводорослями, чтобы этот эффект не возник на Земле, но если бы планета находилась всего на 1 % дальше от Солнца, то практически вся ее вода оказалась бы заперта в ледниках. Но даже при температурах внутри зоны оптимума планета не смогла бы поддерживать существование высокоорганизованной жизни без уникальной атмосферы, большей частью состоящей из азота, обогащенной кислородом от фотосинтеза и содержащей набор важных газовых примесей, регулирующих температуру на поверхности. И эта тонкая газообразная оболочка не могла бы сохраниться, не будь планета достаточно большой, чтобы сформировать мощное гравитационное поле, которое и удерживает атмосферу на месте.

Как и в случае со всеми активными звездами, ядерный синтез заставляет Солнце гореть, и продукты термоядерных реакций достигают Земли в виде электромагнитной (солнечной, лучистой) энергии. Этот поток состоит из широкого спектра волн разной длины, в их число входит и видимый свет. Около 30 % от этого колоссального потока отражается облаками и внешней поверхностью атмосферы, около 20 % задерживается атмосферой и облаками, а остающееся, примерно половина, поглощается океанами и континентами, превращается в термальную энергию и переизлучается в пространство (Smil 2008а). Геотермальная энергия Земли добавляет свой, много меньший поток тепла: он образуется в результате исходного гравитационного слипания планетарной массы и распада радиоактивной материи и запускает глобальные тектонические процессы, которые движут океанами и континентами и провоцируют вулканические извержения и землетрясения.

Только крошечная часть входящей лучистой энергии, менее чем 0,05 %, трансформируется с помощью фотосинтеза в новые запасы химической энергии в растениях, обеспечивая незаменимую основу для всей остальной жизни. Органический метаболизм реорганизует питательные вещества в растущие ткани и поддерживает телесные функции и постоянную температуру тела у представителей высших видов. Пищеварение также генерирует механическую (кинетическую) энергию работающих мышц. В своих преобразованиях энергии животные ограничены размером тел и доступностью питательных веществ. Фундаментальной отличительной характеристикой нашего вида был выход за эти физические границы с помощью более эффективного использования мускулов и овладения энергией за пределами наших тел.

Обнаруженные с помощью человеческого интеллекта экстрасоматические виды энергии использовались для выполнения постоянно растущего списка задач, например для создания все более мощных первичных движителей и топлива, при сгорании которого выделяется тепло. Пусковой импульс в освоении того или иного вида энергии зависит от потока информации и от громадного разнообразия созданных нами орудий. Последние в свою очередь варьируются от простых, вроде каменных топоров и рычагов, до сложных машин внутреннего сгорания и реакторов, освобождающих энергию ядерного распада. Базовые эволюционные и исторические последствия нашего прогресса легко очертить с помощью широкого набора количественных терминов. Как и в случае с любым нефотосинтезирующим организмом, самая важная энергия поступает к нам с едой. Добыча пищи, которую практиковали гоминины, напоминала поведение в схожих обстоятельствах наших предков-приматов. Хотя некоторые приматы — и другие млекопитающие (включая выдр и слонов), — некоторые птицы (вороны и попугаи) и даже беспозвоночные (головоногие) выработали в процессе эволюции рудиментарное умение пользоваться орудиями (Hansell 2005; Sanz, Call and Boesch 2014; рис. 1.2), только гоминины сделали изготовление орудий отличительной чертой своего поведения.

Рисунок 1.2. Шимпанзе (Pan troglodytes) в Габоне использует инструменты, чтобы вскрывать орехи (Corbis)

Инструменты дали нам механические преимущества в добывании пищи, создании убежища и одежды. Овладение огнем помогло освоить ранее недоступные территории и еще больше отделило нас от животных. Появление новых инструментов привело к приручению животных, к созданию более сложных, движимых мускульной силой машин и к тому, что мы научились превращать крошечную долю кинетической энергии ветра и воды в движение. Эти первичные движители увеличили силу в распоряжении человека, но долгое время их использование было ограничено природой и мощностью освоенных потоков энергии. Хорошим примером здесь служит случай с парусом, древним и эффективным средством передвижения, чьи возможности на протяжении тысячелетий зависели от превалирующих ветров и течений. Именно эта особенность позволила европейцам в конце пятнадцатого века добраться до Карибских островов и помешала испанцам открыть Гавайи, несмотря на то, что торговые корабли под флагом Испании, так называемые Манильские галеоны (Galeon de Manila) раз или два в год пересекали Тихий океан из Акапулько (Мексика) на Филиппины 250 лет подряд между 1565-м и 1815-м годами (Schurz 1939).

Контролируемое сгорание в очагах, печах и топках превращало химическую энергию растений в термальную. Тепло использовалось в домашних хозяйствах, а также для плавки металлов, обжига кирпичей, для обработки самых разных продуктов. Открытие ископаемого топлива сделало все традиционные способы использования тепла более широко распространенными и более эффективными. Набор фундаментальных изобретений дал возможность конвертировать термальную энергию от сгорания ископаемого топлива в механическую. Впервые это было сделано в паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания, позже к ним добавились газовые турбины и ракеты. Мы получали энергию, сжигая ископаемое топливо, используя кинетическую энергию воды (как минимум с 1882 года), а также атомный распад одного из изотопов урана (с 1956-го).

Сжигание ископаемого топлива и генерация энергии привели к возникновению новой формы высокоэнергетичной цивилизации, которая распространилась по всей планете, охватила ее целиком. В число базовых источников энергии этой цивилизации в данный момент входят (их доля мала, но постоянно растет) новые возобновляемые виды, такие как солнечная энергия (получаемая с помощью фотоэлементов на солнечных электростанциях) и энергия ветра (тут используются большие ветровые турбины). В свою очередь, освоение новых источников стало возможным только благодаря комплексу других усовершенствований. Используя аналогию с трубопроводом, можно сказать, что вентили должны быть установлены и затем открыты в правильной последовательности, чтобы поток человеческой изобретательности потек в нужном направлении.

Наиболее важный «вентиль», относящийся к освобождению большого энергетического потенциала, подразумевает необходимые образовательные возможности, предсказуемые законодательные основания, прозрачные экономические правила, адекватную доступность капитала и условия, благоприятные для базовых исследований. Ничего удивительного, что обычно требуются поколения для того, чтобы получить увеличение или качественное улучшение потоков энергии, или для того, чтобы в значительном масштабе освоить использование нового источника энергии. Сроки разработки, общий объем энергии и характеристики энергетических потоков исключительно трудно предсказать, и на ранних фазах процесса перехода невозможно оценить все конечные воздействия, которые изменения первичных движителей и топливной базы окажут на сельское хозяйство, промышленность, транспорт, устройство поселений, военное дело и окружающую среду. Количественные подсчеты являются сущностно важными для оценки ограничений наших действий и размаха наших достижений, и они требуют знания базовых научных концепций и измерений.

Концепции и единицы измерения

Под всеми энергетическими трансформациями лежит несколько базовых принципов. Любая форма энергии может быть превращена в тепло или термальную энергию. Никакая энергия ни при каких условиях не теряется при этих превращениях. Сохранение энергии, первый закон термодинамики — один из наиболее фундаментальных принципов, на которых держится реальность. Но по мере того как мы движемся по цепям преобразований, потенциал полезной работы постоянно уменьшается (примечание 1.2). Этот непреодолимый факт определяет второй закон термодинамики, и энтропия есть мера потери полезной энергии. В то время как общий объем энергии во вселенной остается неизменным, превращения энергии увеличивают энтропию (одновременно уменьшая полезность энергии). Корзина с зерном или цистерна сырой нефти — низкоэнтропийный запас энергии, который при проращивании или сжигании способен совершить много полезной работы, но заканчивается все случайным движением слега нагретых молекул воздуха, необратимым высокоэнтропийным состоянием, неизбежной потерей полезности.

Такое одностороннее энтропийное шоссе ведет к потере сложности, к увеличению беспорядка и гомогенности в любой замкнутой системе. Но все живые организмы, от крохотной бактерии до глобальной цивилизации, временно игнорируют этот принцип, импортируя и метаболизируя энергию. Любой живой организм должен быть открытой системой, в которой имеется постоянный приток и отток энергии и материи. Пока эти системы живые, они не могут находиться в состоянии химического и термодинамического равновесия (Prigogine 1947, 1961; von Bertalanffy 1968; Haynie 2001). Их отрицательная энтропия — рост, обновление и эволюция — приводит к увеличению гетерогенности, повышает структурную и системную сложность. Как и в случае со многими другими научными открытиями, связное понимание этих процессов пришло только в девятнадцатом веке, когда быстро развивающиеся физика, химия и биология начали активно изучать трансформации энергии (Atwater and Langworthy 1897; Cardwell 1971; Lindsay 1975; Muller 2007; Oliveira 2014; Vorvoglis 2014).

Примечание 1.2. Уменьшение полезности превращенной энергии

Любое превращение энергии иллюстрирует этот принцип.

Если американский читатель использует электрическое освещение для того, чтобы прочесть эту страницу, то электромагнитная энергия света составляет только крохотную часть химической энергии, которая содержалась в куске угля, сожженном для получения электричества (в 2015 году уголь использовался для производства 33 % электроэнергии в США). По меньшей мере 60 % энергии угля теряется в виде тепла через трубы электростанции и через охлаждающие контуры, а если читатель использует старые добрые лампы накаливания, тогда более 95 % добравшейся до лампы энергии рассеивается в виде тепла, порожденного раскаленной нитью внутри лампочки, поскольку металл нити сопротивляется прохождению тока. Свет, достигающий страницы, частично поглощается ею, частично отражается, частично снова превращается в тепло. Изначальный низкоэнтропийный кусок угля превращается в высокоэнтропийное тепло, которое нагревает воздух над электростанцией, вокруг проводов, вокруг лампочки, и даже слегка — над страницей. Никакая часть энергии не теряется, но ее форма, обладающая высокой полезностью, изменяется до такой степени, что теряет любое практическое значение.

Базовые исследования вроде нашего требуют кодификации стандартных средств измерения. Две единицы стали общими для измерения энергии: калория — метрическая единица, и британская тепловая единица (бте). Сегодняшняя базовая научная единица для энергии — джоуль, она названа по имени английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889), который опубликовал первый точный расчет эквивалентности работы и тепла (примечание 1.3). Мощность обозначает объем энергетического потока, и ее первая стандартная единица — лошадиная сила — была определена Джеймсом Уаттом (1736–1819). Он хотел рассказать о своих паровых машинах так, чтобы все понимали, о чем идет речь, и выбрал очевидное сравнение с первичным движителем, который машины должны были заменить — с запряженной лошадью, поскольку в те времена их массово использовали на мельницах и для откачки воды (рис. 1.3, примечание 1.3).

Рисунок 1.3. Две лошади поворачивают ось, ведущую к откачивающей воду лебедке. Франция, середина XVIII века, мануфактура по производству ковров (изображение из Encyclopedie, Дидро и д'Аламбер, 1769–1772). Обычная лошадь в то время не смогла бы работать с постоянной мощностью в одну лошадиную силу. Джеймс Уатт использовал преувеличенное значение, чтобы найти покупателей для паровой машины, способной заменить животных

Другим важным параметром является плотность энергии, т. е. количество энергии на единицу массы ресурса (примечание 1.4). Оно играет ключевую роль в питании: даже имеющиеся в изобилии продукты с низкой плотностью энергии никогда не станут базовыми. Например, обитатели Мексиканского нагорья до прихода испанцев в большом количестве поедали колючие плоды, которые с легкостью собирали со многих разновидностей кактусов из рода Opuntia (Sanders, Parsons and Santley 1979). Но как и у большинства фруктов, мякоть этих плодов большей частью (на 88 %) состоит из воды, в ней меньше 10 % углеводов, 2 % белка и 0,5 % жиров, и плотность энергии в данном случае всего лишь 1,7 Мдж/кг (Feugang et al. 2006). Это значит, что, например, женщина, выживающая только на плодах кактуса (предположим совершенно нереалистичным образом, что ей не нужны другие питательные вещества), должна будет съедать их по 5 килограммов каждый день, но то же самое количество энергии она может получить из 650 граммов кукурузы, съеденной в виде тортильи и тамала.

Примечание 1.3. Измерение энергии и мощности

Официальное определение джоуля — работа, выполненная, когда сила в один ньютон действует на дистанции в один метр. Другой вариант определения базовой единицы энергии — через требуемое количество тепла. Одна калория — количество тепла, необходимое, чтобы поднять температуру 1 см3 воды на 1 °C. Это очень мало: чтобы сделать то же самое с 1 килограммом воды, нужно в тысячу раз больше энергии, или одна килокалория (полный список префиксов к единицам измерения приведен в разделе «Базовые единицы измерения» в приложении). Учитывая эквивалентность тепла и работы, все, что нужно для превращения калорий в джоули — помнить, что одна калория равняется примерно 4,2 джоуля. Для до сих пор распространенной неметрической единицы, британской тепловой единицы, преобразование столь же простое. Одна бте равна примерно 1000 Дж (если точно, то 1055). Хороший сравнительный критерий — средняя дневная потребность в пище. Для взрослого в состоянии умеренной активности она обычно варьируется в пределах 2–2,7 Мкал, или примерно 8-11 Мдж, а 10 Мдж можно получить, съев 1 кг цельнозернового хлеба.

В 1782 году Джеймс Уатт начерно рассчитал, что лошадь на мельнице работает примерно со скоростью 32 400 футо-фунтов в минуту, и на следующий год он округлил это значение до 33 000 футо-фунтов (Dickinson 1939). Он предположил, что средняя скорость хода животного около 3 футов в секунду, но мы не знаем, где он взял значение средней тяги в 180 фунтов. Некоторые крупные лошади могли выдавать такую тягу, но большинство лошадей в Европе XVIII века не смогли бы обеспечить одну лошадиную силу из расчетов Уатта. Сегодняшний стандарт мощности, ватт, равен джоулю в секунду. Лошадиная сила составляет примерно 750 ватт (если точно, то 745,699). Потребление 8 Мдж пищи в день соотносится с номинальной мощностью в 90 Вт (8 Мдж/24 ч х 3600 с), меньше, чем у стандартной лампы накаливания (100 Вт). Тостер с двумя отверстиями требует 1000 Вт, или 1 КВт; небольшие машины выдают примерно 50 КВт; крупная электростанция на угле или ядерном топливе производит электричества на 2 ГВт.

Плотность мощности определяет потребление или производство энергии на единицу площади, и поэтому она является важной структурной характеристикой разных систем (Smils 2015b). Например, размер городов во всех традиционных обществах зависел от древесины как топлива, а возможность получения древесного угля очевидным образом ограничивалась изначально низкой плотностью мощности у производства фитомассы (примечание 1.5, рис. 1.4). Плотность мощности постоянного годового прироста деревьев в умеренном климате в лучшем случае равняется 2 % от плотности мощности энергетического потребления для традиционного городского обогрева, приготовления пищи и мануфактурного производства. Поэтому городам требовалась территория в 50 раз больше их собственной для обеспечения топливом. Именно это ограничивало их размеры, даже когда другие ресурсы, такие как вода и пища, имелись в изобилии.

Примечание 1.4. Значения плотности энергии продуктов питания и видов топлива

Источники: значения плотности энергии для отдельных видов продуктов питания приведены в Watt (1973), Jenkins (1993) b USDA (2011).

Другая величина, приобретающая все большее значение с ростом индустриализации — эффективность преобразования энергии. Это соотношение выхода/ входа описывает работу преобразователей энергии, будь то печи, двигатели или элементы освещения. И хотя мы не можем ничего сделать с энтропийным рассеиванием, мы можем увеличить эффективность преобразования, снизив количество энергии, необходимое для выполнения отдельных задач (примечание 1.6). Существуют фундаментальные (термодинамические, механические) ограничения для этого улучшения, и мы уже во многих процессах подошли к лимиту практической эффективности, хотя в большинстве случаев, например, для широко распространенных преобразователей вроде двигателей внутреннего сгорания и осветительных приборов еще достаточно возможностей усовершенствования.

Рисунок 1.4. Робота углежога в начале XVII века, Англия. Предоставлено: John Evelyn, «Silva»

Примечание 1.5. Плотность энергии растительного топлива

Фотосинтез превращает менее 0,5 % поступающего солнечного излучения в новую фитомассу. Лучшая годовая продуктивность древесного топлива для быстрорастущих видов (тополь, эвкалипт, сосна) составляет не больше чем 10 т/га, ну а в более засушливых регионах значение колеблется между 5 и 10 т/га (Smil 2015b). С плотностью энергии сухого дерева в среднем около 18 ГДж/т добыча в 10 т/га обеспечит плотность мощности около 0,6 Вт/м2: (10 т/га х 18 ГДж)/3,15 х 107 (секунд в год) = — 5708 Вт; 5708 Вт/10000 м2/га = — 0,6 Вт/м2. Большому городу XVIII века требовалось по меньшей мере 20–30 Вт/м2 на застроенную площадь для обогрева, приготовления пищи и мануфактурного производства, так что древесное топливо пришлось бы добывать с территории в 30–50 раз большей, чем сам город.

Древесный уголь был единственным бездымным топливом доиндустриальной эпохи, которое все традиционные цивилизации использовали для обогрева домов. А его изготовление сопровождается значительной потерей энергии, ведь даже в середине XVIII века типичное соотношение каменный уголь/дерево составляло один к пяти, что значило в терминах энергии (сухое дерево — 18 ГДж/т, древесный уголь, теоретически чистый углерод, — 29 ГДж/т) эффективность преобразования всего 30 % (5 х 18/29 = 0,32). Так что плотность мощности древесины, предназначенной для получения каменного угля, всего около 0,2 Вт/м2. Поэтому большим доиндустриальным городам, расположенным в умеренном климате северного полушария и зависящим от каменного угля (Пекин может быть хорошим примером), требовалась покрытая лесом территория по меньшей мере в 100 раз больше их собственного размера, чтобы не остаться без топлива.

Примечание 1.6. Повышение эффективности и парадокс Джевонса

Технический прогресс ведет за собой множество впечатляющих достижений в области эффективности, и история освещения является одним из лучших примеров (Nordhaus 1998; Fouquet and Pearson 2006). Свечи превращают всего лишь 0,01 % химической энергии сала или воска в свет. Лампочки Эдисона, изобретенные в 1880-х годах, были примерно в десять раз эффективнее. К 1900 году угольные электростанции имели эффективность примерно 10 %, лампочки превращали не более 1 % энергии в свет, отсюда ясно, что лишь 0,1 % химической энергии угля становилось светом (Smil 2005). Лучшая газовая турбина парогазового цикла (используется горячий газ, покидающий газовую турбину, чтобы производить пар для паровой турбины) в наше время имеет эффективность 60 %. Флуоресцентные лампы могут похвастаться 15 % эффективности, как и диодные светильники (USDOE 2013). Это значит, что около 9 % природного газа превращается в свет, выигрыш в 90 раз по сравнению с концом XIX века. Такой выигрыш сохраняет капитал и уменьшает текущие издержки, а также снижает давление на окружающую среду.

Но в прошлом рост эффективности преобразования энергии не всегда приводил к реальной экономии. В 1865 году Стэнли Джевонс (1835–1882), английский экономист, указал, что введение более экономичных паровых машин сопровождалось значительным увеличением потребления угля, и сделал такой вывод: «Будет ошибочным считать, что экономия при использовании разных видов топлива приведет к уменьшению потребления. На самом деле все обстоит наоборот. Как правило, новые методы экономии ведут к увеличению потребления в соответствии с принципом, учтенным во множестве параллельных случаев» (Jevons 1865, 140). Реальность этого явления подтвердили многочисленные исследования (Herring 2004, 2006; Poliment et al. 2008), но в богатых странах, где высок объем потребляемой энергии на душу населения и где достигнут уровень насыщения, этот эффект слабеет. В результате реакция на повышение эффективности на уровне конечного использования часто мала и еще уменьшается со временем, и в масштабах целой экономики выгода может быть очень небольшой, если вообще быть (Goldstein, Martinez, and Roy 2011).

Когда эффективность рассчитана для производства продуктов питания (энергия в пище/энергия на входе для того, чтобы ее вырастить), топлива или электричества, ее обычно именуют энергоотдачей. Полезная энергоотдача в любом традиционном сельском хозяйстве опирается исключительно на мощность живой силы и должна значительно превышать единицу: съедобный урожай обязан содержать больше энергии, чем ее потребляется в виде пищи, необходимой людям и животным, которые производят этот урожай, а также тем, кто не работает и зависит от работающих. Непреодолимая проблема возникает, если мы пытаемся сравнить энергоотдачу в традиционном сельском хозяйстве, где используется только сила мускулов (и только преобразования недавно полученного солнечного излучения), и современным сельским хозяйством, которое спонсируется прямо (топливо для работ на полях) и косвенно (энергия, необходимая для синтеза удобрений и пестицидов и для производства сельскохозяйственных машин) ископаемым топливом и по этой причине неизбежно имеет более низкую энергоотдачу, чем традиционное сельское хозяйство (примечание 1.7).

И наконец, энергоемкость измеряет стоимость продуктов, услуг и даже общий объем производства в стандартных единицах энергии и стоимость самой энергии тоже. Среди наиболее широко используемых материалов алюминий и пластик имеют высокую энергоемкость, в то время как стекло и бумага сравнительно дешевы, а древесина (исключая затраты на фотосинтез) является наименее энергоемким из всех материалов (примечание 1.8). Техническое развитие в последние два века привело к тому, что энергоемкость во многих случаях значительно уменьшилась. Возможно, самый известный пример: плавка чугуна на коксе в больших домнах в наше время требует меньше чем 10 % энергии на единицу массы горячего металла, чем в случае доиндустриального производства чугуна на древесном угле (Smil 2016).

Примечание 1.7. Сравнение энергоотдачи в производстве продуктов питания

С начала 70-х годов XX века энергетические показатели начали использовать, чтобы показать превосходство традиционного сельского хозяйства и низкую энергоотдачу современного сельского хозяйства. Такие исследования на самом деле вводили нас в заблуждение, потому что между двумя способами ведения хозяйства имеется фундаментальное отличие. Показатели для традиционного сельского хозяйства — просто коэффициент между энергией пищи, полученной в результате сбора урожая, и энергией пищи, которая требуется для выращивания этого урожая с помощью труда человека и животных. Наоборот, в современном сельском хозяйстве показатели будут учитывать очень значительный расход невозобновляемого ископаемого топлива, которое требуется для работы сельскохозяйственных машин, для изготовления этих машин и химикалий; трудовые затраты в этом случае пренебрежимо малы.

Если коэффициенты рассчитывать только с учетом произведенной для поедания энергии и затраченного на ее производство труда, тогда современное сельское хозяйство с крохотной потребностью в человеческих усилиях, лишенное тягловых животных, будет намного превосходить любое традиционное.

Если же затраты на производство современных злаков будут включать все использованное топливо и электричество, то энергоотдача окажется значительно ниже, чем в традиционном сельском хозяйстве. Такие расчеты возможны по той причине, что в физическом смысле все виды энергии эквивалентны. Продукты питания и топливо могут быть выражены в одних и тех же единицах, но остается очевидная проблема сравнения «красного с соленым». Не существует удовлетворительного способа сравнивать, просто и прямо, энергоотдачу от двух систем сельского хозяйства, которые функционируют, опираясь на принципиально разные источники энергии.

Примечание 1.8. Энергоемкость широко распространенных материалов

Источник: данные из Smil (2014b).

Энергетические затраты на производство энергии (часто именуемые EROI, отдача энергии на затраты, хотя EROEI, отдача энергии на затраты энергии, было бы более корректным) являются показательными только в том случае, если мы сравниваем величины, которые рассчитаны по идентичным методам с использованием стандартных предположений и четко обозначаемых аналитических ограничений. Современные высокоэнергетичные общества предпочитают разрабатывать ресурсы ископаемого топлива с наиболее высокой полезной энергоотдачей, и именно по этой причине мы большей частью предпочитаем нефть, и богатые нефтяные месторождения Ближнего Востока в особенности. Плотность энергии у нефти очень высокая, ее легко транспортировать, она обладает и другими очевидными преимуществами (примечание 1.9).

Примечание 1.9. Отдача энергии на затраты

Различия в качестве и доступности разных видов ископаемого топлива колоссальны: тонкий подземный слой низкокачественного угля против толстого слоя качественного битуминозного угля, который можно добывать открытым способом; или супергигантские месторождения углеводородов Ближнего Востока против низкопродуктивных скважин, где требуется постоянная работа насосов. В результате значение EROEI варьируется очень сильно и может изменяться по мере появления более эффективных технологий добычи. Приведенные ниже значения — не более чем приблизительные показатели, иллюстрирующие разницу между ведущими методами извлечения и преобразования энергии (Smil 2008а, Murphy and Hall 2010). Для производства угля отдача варьируется между 10 и 80, для нефти и газа — от 10 до более 100; для больших ветровых турбин в наиболее ветреных локациях значения могут достигать 20, но большей частью меньше 10; для фотоэлектрических солнечных элементов не больше 2; а для современного биотоплива (этанол, биодизель) в лучшем случае 1,5, их производство часто ведет за собой затраты энергии, а не выгоду (EROEI всего лишь 0,9–1,0).

Сложности и предупреждения

Использование стандартных единиц для измерения запасов и потоков энергии с физической точки зрения очевидно и с точки зрения науки приемлемо, но все равно все сведения в общем знаменателе могут сбивать нас с толку. В первую очередь, здесь не учитываются критичные качественные различия между разными видами энергии. Два вида угля могут иметь одинаковую плотность энергии, но один может гореть хорошо и оставлять малое количество пепла, в то время как другой горит плохо, выделяет много диоксида серы и оставляет большое количество несгораемого материала. Изобилие угля с высокой плотностью энергии — идеальная ситуация для снабжения топливом паровых машин (часто используемый термин «бездымный» можно принять только как относительный), и именно такое изобилие стало важнейшим фактором, на котором базировалось доминирование Великобритании на морях в XIX веке, поскольку ни у Франции, ни у Германии не было больших запасов угля сравнимого качества.

Абстрактные единицы энергии не показывают различие между съедобной и несъедобной биомассой. Равные массы семян пшеницы и сухой соломы от пшеницы содержат в принципе одно и то же количество тепловой энергии, но солома, большей частью состоящая из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, не переваривается людьми, в то время как семена пшеницы (в составе около 70 % сложных крахмалистых углеводов и до 14 % белка) — прекрасный источник основных питательных веществ. Показатели также не учитывают конкретное происхождение пищевой энергии, проблему большой важности для правильного питания. Многие высокоэнергетические виды пищи не содержат или содержат в малом количестве белок и жиры, два питательных вещества, необходимых для нормального роста и функционирования тела, и не могут обеспечить организм микроэлементами — витаминами и минералами.

Имеются и другие важные качества, скрытые за абстрактными измерениями. Доступ к запасам энергии — совершенно очевидно важный момент. Древесина ствола и ветвей имеет одинаковую плотность энергии, но без качественных топоров и пил люди во многих доиндустриальных обществах могли только собирать ветви. Это все еще норма в наиболее бедных регионах Африки и Азии, где дети и женщины собирают древесную фитомассу; особенности траспортировки тоже имеют значение, поскольку древесину (ветки) приходится переносить на голове, и часто на значительные расстояния. Легкость использования и эффективность преобразования могут быть обманчивыми в процессе выбора топлива. Дом можно обогревать деревом, углем, бензином или природным газом, но лучшие газовые котлы сейчас показывают 97 % эффективности, поэтому они много дешевле в использовании.

Сжигание соломы в простых печах требует частого добавления топлива, а большие куски дерева могут гореть без присмотра долгими часами. Отсутствие вентиляции (или плохая вентиляция — через дыру в потолке) при сжигании сухого навоза сопровождается большим количеством дыма, а горение высушенных дров в хорошей печи — малым, при этом отравление продуктами горения в собственном доме остается важной причиной дыхательных заболеваний во многих бедных странах (McGranahan and Murray 2003; Barnes 2014). И если не уточнять их происхождение, то плотность энергетических потоков не будет отличаться в случае возобновляемых источников и ископаемого топлива, хотя различие между ними фундаментально в понимании природы и долговечности той или иной энергетической системы. Современная цивилизация возникла благодаря массовому и все растущему потреблению ископаемого топлива. Но такая практика очевидным образом ограничена тем, что эти запасы конечны и что последствия сжигания углеводородов негативны, так что высокоэнергетические общества могут выжить, только постепенно переходя на другие источники энергии.

Дальнейшие сложности возникают, когда сравниваешь эффективность одушевленной и неодушевленной трансформации энергии. В последнем случае это просто соотношение затрат топлива или электричества и полученной в результате энергии, но в первом ежедневный расход пищи нельзя рассматривать как энергетические затраты, поскольку большая часть полученной энергии уходит на поддержание базового метаболизма — работу внутренних органов, циркуляцию крови, сохранение температуры тела. А базовый метаболизм надо поддерживать вне зависимости от того, работают или отдыхают люди или животные. Расчет полезных энергетических затрат, возможно, является наиболее удовлетворительным решением (примечание 1.10).

Примечание 1.10. Расчет полезных энергетических затрат человеческого труда

Не существует универсального общепринятого способа выразить энергетические затраты на человеческий труд, и расчет полезных затрат, возможно, наилучший выбор: это потребление энергии человеком сверх того, что является жизненно необходимым, что требуется, даже если не выполняется никакой работы. Подобный подход описывает труд человека через актуальный прирост затрат энергии. Общие затраты энергии — результат умножения базовой (в состоянии покоя) скорости метаболизма и уровня физической активности (ОЗЭ = БСМ х УФА), и прирост затрат энергии будет очевидным образом составлять разницу между ОЗЭ и БСМ. БСМ взрослого мужчины весом 70 кг будет около 7,5 МДж/сутки, женщины весом 60 кг — около 5,5 МДж/сутки. Если мы предположим, что тяжелая работа увеличивает дневной расход энергии на 30 %, то полезные затраты составят 2,2 МДж/сутки для мужчины и 1,7 МДж/сутки для женщины. Поэтому я буду использовать 2 МДж/сутки во всех приблизительных расчетах полезного дневного расхода энергии при добывании пищи, традиционном сельском хозяйстве и работе на производстве.

Дневное количество пищи нельзя рассматривать как энергетические поступления на трудовые затраты: базовый метаболизм (работа внутренних органов, циркуляция крови, поддержание температуры тела) протекает вне зависимости от того, работаем мы или отдыхаем. Изучение физиологии мускулов, особенно труды Арчибальда В. Хилла (1886–1977, лауреат Нобелевской премии 1922 года) дали возможность измерить эффективность мышечной работы (Hill 192; Whipp and Wasserman 1969). Коэффициент полезного действия при аэробной нагрузке около 20 %, и это значит, что 2 МДж/сутки метаболической энергии, затраченной на физическую работу, произведут полезной работы на величину, эквивалентную 400 кДж/сутки. Я буду использовать это приближение во всех последующих вычислениях. И для сравнения, коллеги (Kander, Malanima and Warde 2013) использовали общее потребление пищи, а не актуальные затраты полезной энергии в своем историческом сравнении источников энергии. Они приняли среднее потребление пищи в год 3,9 ГДж/сутки на особь, и это значение не менялось с 1800 по 2008 год.

Но даже в намного более простых обществах, чем наше, значительную часть труда составляет умственный — принятие решений о том, как подступиться к задаче, как выполнить ее при имеющихся ресурсах, как снизить энергетические издержки. Метаболические затраты на размышления, даже очень напряженные, невелики по сравнению с постоянным мускульным напряжением. С другой стороны, умственное развитие требует многих лет, знакомства с языком, социализации и обучения как прямого, так и посредством накопления опыта, и по мере того, как общество усложняется, этот процесс становится все более сложным и долгим, обзаводится собственными социальными институтами вроде школ и университетов. А все это требует значительных косвенных затрат энергии на поддержание как материальной инфраструктуры, так и нематериальных человеческих познаний.

Круг замкнулся.

Я отметил потребность в количественных оценках, но реальное понимание роли энергии в истории требует намного большего, чем простое сведение всего к различным числам в джоулях и ваттах, и игр с этими числами для получения всеобъемлющих объяснений. Мне придется справиться с этим вызовом, используя широкий подход: я буду применять конкретные значения плотности энергии и мощности и указывать на повышение КПД, но при этом не стану игнорировать многие качественные моменты, относящиеся к использованию различных видов энергии. И пусть императивы энергетических потребностей и способов использования энергии наложили глубокий отпечаток на наше прошлое, многие детали и последствия этих фундаментальных эволюционных детерминант могут быть объяснены только с точки зрения человеческих мотиваций и предпочтений и только признанием тех удивительных и часто необъяснимых выборов, которые направляют историю нашей цивилизации.

Оглавление

* * *

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Энергия и цивилизация предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Купить и скачать полную версию книги в форматах FB2, ePub, MOBI, TXT, HTML, RTF и других

Смотрите также

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ э ю я